減壓區(qū)開拓巷道布置方式研究與應(yīng)用

肖雪峰

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.開灤 （集團(tuán)）有限責(zé)任公司，河北省唐山市，063000）

1 概述

我國大多數(shù)煤田以煤層群分布為主。井工開采礦井開拓系統(tǒng)大多為煤層群聯(lián)合布置，即開拓巷道設(shè)計(jì)在最下可采煤層較硬巖石內(nèi)，通過采區(qū)上山區(qū)段石門與各煤層工作面聯(lián)系，形成即有利于維護(hù)又便于運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)系統(tǒng)。隨著開平煤田各礦向深部、更復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行開采，開拓巷道常規(guī)布置受到礦壓、采動(dòng)影響越來越大，巷道維護(hù)困難，維護(hù)費(fèi)用越來越高。

東歡坨礦井田屬開平煤田車軸山向斜兩翼，傾斜翼走向長(zhǎng)13.5km，傾斜寬3.0km，急傾斜翼走向長(zhǎng)4 km，傾斜寬0.4 km；井田面積約為42km2。礦井采用立井多水平階段石門開拓方式，現(xiàn)有主井、副井、風(fēng)井3個(gè)井筒，有-500m生產(chǎn)水平、-690m 生產(chǎn)水平和-950m、-1200m 規(guī)劃水平。東歡坨礦井煤系地層基本以軟巖為主，加之近距離煤層群頂?shù)装寰哂懈凰匦裕V井主要開拓大巷只能布置在距可采煤層較近的軟巖內(nèi)，由于巷道圍巖流變和采動(dòng)影響顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道變形嚴(yán)重，使用條件差，不利于正常通風(fēng)和運(yùn)輸安全。

2 傳統(tǒng)開拓巷道設(shè)計(jì)方式及存在問題

2.1 傳統(tǒng)開拓巷道設(shè)計(jì)方式

開拓巷道系統(tǒng)煤層群聯(lián)合布置常規(guī)設(shè)計(jì)是以各水平開拓巷道為中心，沿煤層走向留設(shè)150～180m保護(hù)煤柱，以此段保護(hù)煤柱作為上下采區(qū)的分界線，當(dāng)巷道上下兩側(cè)采區(qū)工作面回采完畢后，保護(hù)煤柱完全處于壓力增高區(qū)，受其影響，巷道損壞嚴(yán)重，維修工程量大。

圖1 傳統(tǒng)開拓巷道設(shè)計(jì)礦壓分布示意圖

傳統(tǒng)開拓巷道布置礦壓分布見圖1，巷道開掘后，巷道上方的煤層留設(shè)保護(hù)煤柱，保護(hù)煤柱的兩側(cè)可以進(jìn)行開采。兩側(cè)煤層開采之前開拓巷道上覆圍巖處于理論應(yīng)力狀態(tài)，如圖中實(shí)線所示；而當(dāng)兩側(cè)煤層開采后則受采動(dòng)壓力的影響，開拓巷道上覆圍巖處于采動(dòng)壓力的峰值狀態(tài)，如圖中虛線所示，同時(shí)，在煤層底板形成支撐壓力的峰值，此時(shí)開拓巷道處于壓力升高區(qū)，開拓巷道兩側(cè)處于壓力降低區(qū)。

東歡坨礦-500m 水平中央采區(qū)大巷就遭受了鄰近煤層采動(dòng)壓力的影響，導(dǎo)致巷道被破壞。采區(qū)南北翼軌道大巷長(zhǎng)約4600 m，帶式輸送機(jī)大巷約4200m，分別布置在可采煤層底板巖石中，預(yù)留大巷煤柱150m。當(dāng)開采煤柱上下段煤層時(shí)，受采動(dòng)影響，兩大巷都受到波及，巷道變形速度快、變形量大，幾乎到了無法使用狀態(tài)，不得不安排巷道維修，造成公司成本驟增，成為制約礦井經(jīng)濟(jì)效益提高的重要原因之一。

2.2 傳統(tǒng)開拓巷道設(shè)計(jì)存在的主要問題

（1）開拓大巷留設(shè)保護(hù)煤柱，兩端煤層開采后，兩側(cè)受采動(dòng)影響而造成的支承壓力峰值隨時(shí)間推移向煤柱中心移動(dòng)并重疊，開拓巷道處于高應(yīng)力區(qū)，造成開拓巷道受采動(dòng)影響破壞嚴(yán)重，巷道斷面急劇收縮。

（2）由于大巷變形嚴(yán)重，巷道掘進(jìn)期間就需要進(jìn)行高強(qiáng)度支護(hù)；在開拓大巷服務(wù)期限內(nèi)，為保證巷道的正常使用，也需要對(duì)開拓大巷進(jìn)行多次整改，導(dǎo)致巷道維護(hù)費(fèi)用長(zhǎng)期居高不下。

（3）大巷保護(hù)煤柱呆滯煤量只能在巷道廢棄時(shí)進(jìn)行回收，且回收率較低?；厥沾魷毫繒r(shí)需要在工作面兩側(cè)布置采空區(qū)隔離煤柱，并且受采空區(qū)以及周邊礦壓等因素的影響，巷道布置困難，回收率在40%左右。

3 減壓區(qū)開拓巷道布置方式

3.1 減壓區(qū)巷道設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

當(dāng)前國內(nèi)所采取的巷道礦壓控制措施主要有抵抗礦山壓力、避開高應(yīng)力區(qū)、移走高壓、釋放高壓。抵抗礦山壓力主要是增加支護(hù)強(qiáng)度，用加強(qiáng)支護(hù)的手段去抑制或減少圍巖移動(dòng)，增強(qiáng)巷道抗變形能力。這種方式會(huì)大幅增加開采成本，效果較差。避開高應(yīng)力區(qū)就是將巷道布置在應(yīng)力重新分布后的低應(yīng)力區(qū)，從時(shí)間和空間上躲開高應(yīng)力的作用，即在煤體下方的低壓區(qū)內(nèi)布置巷道。而巷道上方的煤層回采后會(huì)形成應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)也稱作減壓區(qū)，將巷道布置在減壓區(qū)內(nèi)可有效控制礦壓的作用。

3.2 減壓區(qū)巷道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

減壓區(qū)巷道設(shè)計(jì)就是在主要大巷施工之前，優(yōu)先開采大巷的保護(hù)煤柱，使大巷處于采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū)，處于減壓狀態(tài)，避開高應(yīng)力區(qū)。這種方式打破了常規(guī)開拓巷道留設(shè)保護(hù)煤柱的設(shè)計(jì)方法，解決了巷道反復(fù)受采動(dòng)壓力影響問題，大大減少巷道維護(hù)量，提前解放大巷呆滯煤量，延長(zhǎng)巷道服務(wù)年限。

3.3 巷道設(shè)計(jì)實(shí)例

東歡坨礦-500m 水平軌道大巷、帶式輸送機(jī)大巷位于-500m 水平南一采區(qū)，巷道布置在可采煤層底板巖石內(nèi)。該采區(qū)走向長(zhǎng)3392 m，傾斜長(zhǎng)300～610 m，開采8＃煤層，綜合機(jī)械化開采。-500m水平軌道巷、帶式輸送機(jī)巷布置在2383工作面采空區(qū)垂直下方巖層中，2383工作面走向長(zhǎng)度1400 m，傾斜長(zhǎng)度190 m，運(yùn)輸大巷、軌道大巷與8＃煤層底板垂直間距分別為20 m、30m，如圖2所示，兩條大巷位于2383工作面采空區(qū)的減壓區(qū)內(nèi)。

2383工作面掘進(jìn)完畢后，開始回采，回采完畢，半年后上覆巖層穩(wěn)沉結(jié)束，之后施工運(yùn)輸大巷和軌道大巷，兩條巷道可以同時(shí)施工。

工作面開采結(jié)束后，礦山壓力原始應(yīng)力重新分布，運(yùn)輸大巷和軌道大巷上方采空區(qū)形成壓力降低區(qū)，如圖2中虛線所示，運(yùn)輸大巷和軌道大巷兩側(cè)斜上方形成了應(yīng)力升高區(qū)，此時(shí)，運(yùn)輸、軌道大巷處于采空區(qū)下方應(yīng)力降低區(qū)的巖層內(nèi)，從時(shí)間和空間上避開了高應(yīng)力的作用，實(shí)現(xiàn)了先減壓開采、后施工開拓巷道，達(dá)到有效控制礦壓的目的。

圖2 軌道大巷、運(yùn)輸大巷 “減壓”開采后礦壓分布

3.4 2383工作面傾斜長(zhǎng)度的確定

2383工作面減壓開采后，與其相鄰的上區(qū)段和下區(qū)段工作面后期也要回采，相鄰工作面回采時(shí)又會(huì)形成新的應(yīng)力升高區(qū)，既在傾斜方向上產(chǎn)生應(yīng)力升高，又在煤層底板中產(chǎn)生應(yīng)力升高，如果2383工作面傾斜長(zhǎng)度太小，后期相鄰工作面回采時(shí)形成新的應(yīng)力升高區(qū)就會(huì)對(duì)軌道大巷、運(yùn)輸大巷造成破壞。所以2383工作面的傾斜長(zhǎng)度要滿足軌道大巷、運(yùn)輸大巷免受當(dāng)8＃煤層2383工作面上下區(qū)段開采時(shí)采動(dòng)壓力峰值的影響，其中包括傾斜方向上的峰值影響和煤層底板中應(yīng)力峰值影響，以確保軌道大巷、運(yùn)輸大巷處于減壓區(qū)范圍內(nèi)。減壓開采工作面長(zhǎng)度取決于開采后應(yīng)力峰值位置，即采動(dòng)壓力對(duì)巷道影響距離，包括工作面沿傾斜方向支撐壓力峰值離采空區(qū)邊緣的距離和支撐壓力峰值在煤層底板中分布的水平距離兩個(gè)方面的因素，根據(jù)這兩個(gè)數(shù)值再分別計(jì)算其對(duì)工作面傾斜長(zhǎng)度的影響。

3.4.1 基于支撐壓力峰值離采空區(qū)邊緣的距離計(jì)算工作面斜長(zhǎng)

2383上下區(qū)段相鄰工作面回采時(shí)，沿傾斜方向形成支撐壓力峰值，要避開支撐壓力的峰值的影響，就要確定工作面沿傾斜方向支撐壓力峰值離采空區(qū)邊緣的距離。

根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果及分析研究得出的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：B——工作面沿傾斜方向支撐壓力峰值離采空區(qū)邊緣的距離，m；

f——煤層堅(jiān)固性系數(shù)，取1；

Rc——頂 板 巖 石 單 項(xiàng) 抗 壓 強(qiáng) 度， 取25.9 MPa；

α——煤層傾角，取21°；

M——煤層采高，取2.8m；

H——開采深度，取500m。

代入式 （1）得B≈23.53m，依據(jù)煤層的堅(jiān)固性系數(shù)、煤層傾角、采高、采深因素計(jì)算確定支撐壓力峰值在本煤層沿傾斜方向距離采空區(qū)邊緣距離約為23.53m，取24m。

工作面傾斜長(zhǎng)度確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：X1——工作面傾斜長(zhǎng)度，m；

L——軌道大巷、運(yùn)輸大巷間距，取30m；

K——預(yù)留的安全距離，取30m。

將參數(shù)代入式 （2）得工作面傾斜長(zhǎng)度約138m。

因此，要避免沿傾斜方向壓力峰值的影響，工作面傾斜長(zhǎng)度不小于138m。

3.4.2 基于支撐壓力峰值在煤層底板中分布的水平距離計(jì)算工作面斜長(zhǎng)

2383上下區(qū)段相鄰工作面回采時(shí)，在煤層底板形成支撐壓力峰值，通過計(jì)算支撐壓力峰值在煤層底板中分布的水平距離，就能夠合理避開支撐壓力的峰值的影響。

根據(jù)礦壓觀測(cè)結(jié)果及分析研究得出的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：S——支撐壓力峰值在煤層底板中分布的水平距離，m；

Z——軌道大巷到煤層底板間距，取30m；

α——煤層傾角，取21°；

β——煤體向底板傳力的影響角，取40°；

θ——β的余角，取50°；

將參數(shù)代入式 （3），得支撐壓力峰值在煤層底板中分布的水平距離約為20.39m。

根據(jù)工作面傾斜長(zhǎng)度確定的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：X2——工作面傾斜長(zhǎng)度，m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式 （4），得工作面傾斜長(zhǎng)度130.78m。

根據(jù)式 （1）、（2）、（3）、（4）理論計(jì)算，得到要避免傾斜方向和煤層底板兩個(gè)方面壓力峰值的影響，實(shí)現(xiàn)軌道大巷、運(yùn)輸大巷真正的在減壓區(qū)內(nèi)，2383 工作面理論傾斜長(zhǎng)要分別大于138 m、130.78m，取其中較大的值138m，如圖2所示的開采最小值范圍。結(jié)合礦井生產(chǎn)能力和采區(qū)生產(chǎn)能力的要求，及裝備水平與日常的工作面傾斜長(zhǎng)度設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所以2383工作面傾斜長(zhǎng)確定為190m 符合要求。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）節(jié)省巷道維護(hù)費(fèi)用。如果是傳統(tǒng)布置的開拓巷道，兩條大巷共長(zhǎng)1400 m，服務(wù)30a，受采動(dòng)影響，其間兩巷道需維修3 次，按維修費(fèi)用3000元／m 計(jì)算，維護(hù)費(fèi)用需2520 萬元。減壓區(qū)布置的開拓巷道服務(wù)期內(nèi)簡(jiǎn)單維護(hù)，僅套修1次，按維修費(fèi)用3000元／m 計(jì)算，維護(hù)費(fèi)用僅為840萬元。兩種設(shè)計(jì)方式相比，減壓開采設(shè)計(jì)方式節(jié)省維護(hù)費(fèi)用1680萬元。

（2）解放呆滯儲(chǔ)量。2383 工作面提前減壓開采大巷煤柱，將大巷呆滯煤柱進(jìn)行開采。工作面可產(chǎn)原煤94.81萬t，煤價(jià)按100元／t計(jì)算，減壓開采實(shí)現(xiàn)效益近9481萬元。

［1］ 錢鳴高，劉聽成 .礦山壓力及其控制 （修訂本）［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1991

［2］ 徐永圻.采礦學(xué) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003

［3］ 李建民.開灤復(fù)雜煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù) ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

［4］ 陳炎光，徐永圻.中國采煤方法 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991

［5］ 東兆星，吳士良.井巷工程［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004

［6］ 屠爾昌，寧諾夫等.礦山巖石力學(xué)基礎(chǔ) ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1981

［7］ 呂偉偉，李福勝等.淺埋深薄軟基巖工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究 ［J］.中國煤炭，2013 （8）

［8］ 白向東.復(fù)雜綜放工作面下覆開拓大巷安全控制技術(shù) ［J］.中國煤炭，2013（11）